沈阳工业大学武祥教授团队：非对称混合电容器正极材料

第一作者：佟永丽

通讯作者：武  祥

通讯单位：沈阳工业大学材料与工程学院

主要亮点：

本论文通过简单的水热合成方法制备钴酸镍纳米片。研究了三电极系统下，合成材料的充放电，循环和阻抗等电化学性质。用合成产物为正极，通过成分配比涂覆的碳片为负极，自组装非对称超级电容器器件。电化学性能显示其具有较大的比电容和良好的循环稳定性。

此论文是“纳米复合材料特刊”邀请稿，客座编辑：南京大学 侯文华教授、南京师范大学徐林副教授。

引用信息

佟永丽，戴美珍，邢磊，刘恒岐，孙婉婷，武祥，基于NiCo₂O₄纳米片电极非对称电容器性能研究.物理化学学报, 2019, 36 (7), 1903046 DOI:10.3866/PKU.WHXB201903046

Tong, Y. L.; Dai, M. Z.; Xing, L.; Liu, H.Q.; Sun, W. T.; Wu, X. Asymmetric Hybrid Capacitor Based on NiCo₂O₄ Nanosheets Electrode. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 36 (7), 1903046. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903046

研究背景：意义、现状

超级电容器由于其功率密度高，循环寿命长，作为一种新兴的储能设备引起人们广泛关注。过渡金属氧化物如Co₃O₄，NiO，Fe₂O₃作为电容器电极材料已被大量研究。但是，由于它们较低的电导率和缓慢的离子扩散速率限制了它们的应用。最近的报道表明二元金属氧化物具有优异的电化学性能，包含多种变价离子呈现出丰富的氧化还原反应和高的电导率。因此其电化学性能明显优于单一金属氧化物。就尖晶石结构NiCo₂O₄而言，在其分子结构中，镍元素分布在八面体位点而钴元素同时占据四面体和八面体位点。由于其结构特征及各离子之间的协同作用，NiCo₂O₄在氧化还原过程中表现出超强的电化学活性。此外，p型NiCo₂O₄带隙仅为2.1 eV，有利于阳离子之间的电子转移。而且，通过构建NiCo₂O₄电极材料独特的纳米结构，可以增加其比表面积，大大改善电化学性能。本文通过简单的水热方法在镍泡沫衬底原位生长NiCo₂O₄纳米片。此种2D结构不仅增大电极和电解质的接触面积，而且还显示了电化学反应过程中的释放应变，进而保持优越的循环能力。

核心内容

1. 钴酸镍纳米片的制备及表征

以泡沫镍为衬底，用水热法合成钴酸镍纳米片。通过SEM图片可以看出纳米片均匀地分布在泡沫镍表面，厚度大约20 nm。XRD 和XPS测试结果表明合成的产物是钴酸镍。BET测试证实合成的产物具有较大的比表面积。如图1所示.

图1 合成物质的形貌及表征: (a-b) 电镜图片，(c) XRD测试， (d) BET测试， (e-f) XPS测试。

2. 钴酸镍纳米片的电化学性能

用合成的钴酸镍纳米片作为正极，汞-氧化汞电极作为对电极，铂片作为参比电极，在氢氧化钾碱性溶液中进行电化学测试，如图1所示。CV曲线显示明显的氧化还原峰。随着扫速的增加，其面积逐渐增大，表明其具有良好的表面动力学行为及充放电性能。交流阻抗证实合成的电极材料具有较小的电阻。为了研究电极材料的稳定性与耐久性，接着进行了循环测试。结果显示，在4000次充放电之后，由于材料体积的变化，容量开始缓慢下降。

图2 合成电极片的电化学性能: (a) CV曲线， (b)GCD曲线， (c)交流阻抗， (d)循环测试。

3. 组装器件的电化学性能

为了进一步探索合成材料的应用前景，我们组装了超级电容器器件。通过成分配比制备炭材料，使其涂覆在泡沫镍上，烘干作为负极，合成的纳米片作正极，中间用隔膜隔开组装成三明治结构超级电容器器件。电化学测试结果表明，在功率密度为1.56和4.5 W · cm⁻³时能量密度可达到0.14和0.09 Wh · cm⁻³。循环测试显示，经过10000圈循环后，仍能保持95%的比电容，充分证明该器件良好的稳定性。如图3所示。

图3 器件的电化学性能: (a-b) CV曲线， (c) GCD曲线， (d) 交流阻抗， (e) 拉贡图， (f) 循环测试。

结论与展望

超级电容器作为一种新型绿色无污染储能器件，具有较高的功率密度，长的循环寿命等特点。随着纳米技术的快速发展，其成本不断降低，而功率密度和能量密度不断提升，这将进一步提升超级电容器的实际应用前景。目前，超级电容器能量密度相对较小，在一些大型仪器方面的应用还存在一定困难。因此，发展一种制备简单，成本低廉，能量密度大的超级电容器是我们面临的挑战。

通讯作者简介

武祥，沈阳工业大学教授，博士生导师。主要从事低维半导体纳米材料的控制合成及其在能源与环境领域的应用研究。在超级电容器，电催化和水系离子电池方面做出一些优异的工作，在国内外高水平期刊发表SCI收录论文120篇，引用4700余次，H因子40。

已出版特刊集锦